分等级氧化锌基复合纳米材料的制备及其气敏特性研究

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1、分类号：TP212单位代码：10183研究生学号：2015514011密级：公开吉林大学硕士学位论文（专业学位）分等级氧化锌基复合纳米材料的制备及其气敏特性研究Preparationandgas-sensingperformancesofhierarchicalarrayscompositenanooxidesbasedonZnOnanostructures作者姓名：李丹类别：工程硕士领域（方向）：集成电路工程指导教师：康博南教授培养单位：电子科学与工程学院2018年5月————————————————————————————

2、————————————分等级氧化锌基复合纳米材料的制备及其气敏特性研究————————————————————————————————————————Preparationandgas-sensingperformancesofhierarchicalarrayscompositenanooxidesbasedonZnOnanostructures作者姓名：李丹领域（方向）：集成电路工程指导教师：康博南教授学位类别：专业硕士论文答辩日期：2018年5月25日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本

3、的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学博士（或硕士）学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研宂工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研宂做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

4、学位论文作者签名：１ｆｔ日期：年Ｓ月艿日中文摘要分等级氧化锌基复合纳米材料的制备及其气敏特性研究随着人们生活水平和生活质量的提高，对环境污染、食品安全和医疗健康等问题日益关注。为了实现相关领域的气体检测，高灵敏度、良好选择性和稳定性的气体传感器的需求逐年增加。氧化物半导体气体传感器具有灵敏度高、廉价易得、稳定性好、选择性好等优点,一直是气体传感领域的研究热点。高性能氧化物半导体式气体传感器的性能主要依赖于敏感材料的形貌、微观结构以及组分。近年来，纳米科技的发展为敏感材料的研究和材料微观结构的设计提供了新的动力。氧化锌

5、（ZnO）是一种典型的N型半导体氧化物，在气体传感领域有着重要的应用价值。本文首先通过超声喷雾热解法在FTO衬底上生长ZnO纳米棒，再通过简单的水浴反应在氧化锌纳米棒的表面复合NiO、CuO等P型半导体，利用半导体氧化物复合的方式对其气敏特性进行改性，实现改善传感器的性能。主要研究内容如下：使用自制的简易超声喷雾系统在FTO衬底上制备形貌均一的ZnO纳米棒阵列。ZnO纳米棒表面光滑、没有杂质，并且纳米棒的底部直径比较大，顶部直径比较小，平均直径在300nm，长度为5μm。纤锌矿结构的ZnO是锌原子与氧原子六方密堆积结构，主要包

6、括富氧正极性面、富锌的负极性面和平行于[0001]方向的纳米面，由于纳米面具有更低的表面能和更高的稳定性，所以ZnO晶体沿着[0001]方向择优生长，最终形成棒状结构。为了获得高性能的气体传感器，我们将上述实验中获得的ZnO纳米棒通过水浴反应复合NiO纳米片，便获得了ZnO/NiO核壳纳米结构。这种ZnO/NiO核壳纳米结构以ZnO纳米棒为主干，NiO纳米片嵌入在ZnO纳米棒的表面，呈现疏松多孔的形貌，并且可以通过控制反应时间来改变氧化镍纳米片的形貌。“定向附着”和“自组装”过程可以说明氧化镍纳米片的生长机理。由ZnO/NiO

7、复合材料制作的传感器对乙醇有良好的敏感特性。在200℃下，对100ppm乙醇响应是80%。通过运用这两种方法合成过渡金属氧化物分等级纳米阵列在气体传感器方面有很好的应用前景。简单的超声喷雾法与化学浴淀积相结合的方法合成ZnO/CuO纳米管，纳米管的内部为六方晶系结构的ZnO，外面是单斜晶体结构的CuO纳米颗粒形成的壳。奥斯瓦尔德生长机理可以解释纳米管的生长机理。结果表明，相比于ZnO纳米棒制备出来的传感I器，基于ZnO/CuO纳米管制备出来的传感器对H2S表现出更好气敏特性。在50℃较低的温度下，对20ppmH2S灵敏度达到4

8、2%，当有H2S气体被注入时，ZnO/CuO纳米管结构的传感器所需的响应时间仅为37s，恢复过程所需的时间约为94s。而ZnO/CuO纳米棒结构的传感器所需的响应时间为122s，恢复时间很慢，且不能恢复到初始状态。此外，该传感器具有良好的稳定性和重复性。实验表明，这种管状的结